FR3082563A1 - Distributeur d'une turbine radiale de turbomachine, turbomachine comprenant un tel distributeur et systeme de conditionnement d'air comprenant une telle turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un distributeur (30) d'une turbine radiale de turbomachine adaptée pour être mise en rotation autour d'un axe central (10), ledit distributeur comprenant une pluralité de pales (31) à calage variable agencées autour dudit axe central (10) entre deux parois de carter (11a, 11b) de distributeur délimitant entre elles une section de passage d'air dudit distributeur. Selon l'invention, chaque pale (31) à calage variable est solidaire d'un arbre fileté (32) s'étendant parallèlement audit axe central (10) le long d'un axe, dit axe de pivotement (34), et coopérant avec au moins un taraudage (33) conjugué ménagé dans une desdites parois de carter de sorte que cette pale puisse, sur actionnement dudit arbre fileté (32) par des moyens de commande (40), être simultanément pivotée autour dudit axe de pivotement (34) et déplacée axialement entre les deux carters, de manière à modifier la section de passage d'air d'amont en aval du distributeur.

Description

DISTRIBUTEUR D’UNE TURBINE RADIALE DE TURBOMACHINE, TURBOMACHINE COMPRENANT UN TEL DISTRIBUTEUR ET SYSTÈME DE CONDITIONNEMENT D’AIR COMPRENANT UNE TELLE TURBOMACHINE

1. Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un distributeur d’une turbine radiale d’une turbomachine, en particulier destinée à équiper un système de conditionnement d’air d’un aéronef.

2. Arrière-plan technologique

Un système de conditionnement d’air comprend de manière classique un dispositif de prélèvement d’air comprimé sur au moins un compresseur d’un moteur de propulsion de l’aéronef et une turbomachine à cycle à air comprenant au moins un compresseur et une turbine radiale, le compresseur étant alimenté en air par le dispositif de prélèvement d’air comprimé après passage par une vanne de régulation de débit ou de pression, et la turbine comprenant une sortie d’air alimentant la cabine en température et débit contrôlés. Le système comprend en outre différents échangeurs de chaleur, vannes de régulation et une boucle d’extraction d’eau.

Différentes solutions sont aujourd’hui proposées pour limiter le prélèvement d’air sur les moteurs de propulsion et qui consistent notamment à prévoir des systèmes de conditionnement d’air plus électriques.

Cette transition vers une électrification du système de conditionnement d’air impose d’optimiser les différents éléments constitutifs du système et notamment de la turbine de la turbomachine à cycle à air.

Cette turbine doit permettre d’assurer une large plage de débit d’air tout en fournissant le maximum de puissance possible sur l’ensemble de la plage de fonctionnement.

En particulier, la turbine doit pouvoir fonctionner depuis une phase de maintenance de l’aéronef au sol (ce qui correspond à un faible débit et à un fort taux de détente) jusqu’à une phase de vol de croisière de l’aéronef, ce qui correspond à un fort débit et à un faible taux de détente).

H a déjà été proposé de prévoir une turbine à section d’injection variable. Une telle turbine comprend de manière connue un carter, une roue mobile en rotation autour d’un axe central équipée d’ailettes, et un distributeur agencé en périphérie de la roue mobile et comprenant une pluralité de pales de guidage du flux d’air.

Il existe aujourd’hui deux solutions principales permettant de faire varier la section d’injection d’une telle turbine radiale.

La première solution consiste à modifier la section de passage d’air par le déplacement en translation axiale du carter ce qui permet d’augmenter la hauteur de la veine d’air pour un profil et un calage de pales donnés. Cette solution présente l’inconvénient de pouvoir provoquer une admission partielle d’air en entrée de roue, ce qui génère des écoulements secondaires au bord d’attaque de la roue et dégrade donc la performance de l’étage. Le document US2739782 décrit par exemple une turbine à section d’injection variable selon cette première solution.

La seconde solution consiste à modifier la section de passage d’air par le pivotement des pales du distributeur de la turbine de telle sorte que pour un profil et une hauteur de veine d’air donnés, l’angle des pales du distributeur puisse être modifié. Cette solution impose la présence d’un jeu mécanique au niveau du distributeur pour permettre la rotation des pales, ce qui diminue le rendement de l’étage. En outre, la plage de variation de la section d’injection souhaitée étant en général importante (par exemple de l’ordre de 1:4), il existe un risque de désadaptation de l’entrée de la roue pour les ouvertures ou fermetures extrêmes. H existe également un risque de blocage au niveau de l’entrée de la roue. Le document EP0332354 décrit par exemple une turbine à section d’injection variable selon cette deuxième solution.

Aucune des solutions actuellement connues ne permet donc de modifier la section d’injection sur une large plage de débit tout en maintenant un niveau de performance et de fiabilité compatible avec les besoins des systèmes de conditionnement d’air.

H existe donc un besoin de disposer d’une solution alternative permettant de pallier les inconvénients des solutions connues.

3. Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un distributeur d’une turbine radiale qui pallie au moins certains des inconvénients des solutions connues.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un distributeur d’une turbine radiale qui permet de modifier la section d’injection de la turbine sur une large plage de débit tout en conservant un niveau de performance et de fiabilité compatible avec les applications aéronautiques.

L’invention vise en particulier à fournir un distributeur d’une turbine radiale d’un système de conditionnement d’air d’un aéronef.

L’invention vise aussi à fournir, une turbine radiale équipée d’un distributeur selon l’invention et un système de conditionnement d’air comprenant une turbine selon l’invention.

4. Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un distributeur d’une turbine radiale de turbomachine adaptée pour être mise en rotation autour d’un axe central, ledit distributeur comprenant une pluralité de pales à calage variable agencées autour dudit axe central entre deux parois de carter de distributeur délimitant entre elles une section de passage d’air dudit distributeur.

Un distributeur selon l’invention est caractérisé en ce que chaque pale à calage variable comprend des moyens de déplacement axial de la pale entre les deux parois de carter.

L’invention permet donc de déplacer les pales selon la direction de l’axe central la veine d’air du diffuseur délimitée par les carters de distributeur. Les inventeurs ont réalisé de manière inattendue, que les performances de l’étage sont meilleures lorsque le jeu est présent au pied de la pale plutôt qu’en tête de pale pour les faibles ouvertures et lorsque le jeu est présent en tête de pale plutôt qu’en pied de pale pour les fortes ouvertures. La notion de faible ouverture et de forte ouverture dépend du type de machine considérée. Le rapport entre la section d’une faible ouverture par rapport à la section d’une forte ouverture est d’une manière générale de l’ordre de 1:4.

Aussi, le déplacement axial des pales dans la veine d’air permet d’améliorer les performances de l’étage de détente. La position de la pale dans la veine d’air permet d’augmenter ou de limiter les vortex dans la veine d’air et donc de modifier les performances d’écoulement d’air. A noter que selon l’invention, pour les ouvertures intermédiaires entre les faibles ouvertures et les fortes ouvertures, les performances sont améliorées pour des jeux répartis entre la tête de pale et le pied de pale. Différentes configurations sont possibles selon la machine considérée.

Avantageusement et selon l’invention, chaque pale à calage variable comprend en outre des moyens de pivotement de la pale autour d’un axe de pivotement couplés auxdits moyens de déplacement axial de la pale entre les deux parois de carter de sorte que chaque pale puisse, sur actionnement desdits moyens de déplacement axial et desdits moyens de pivotement par des moyens de commande, être simultanément pivotée autour dudit axe de pivotement et déplacée axialement entre les deux parois de carter, de manière à pouvoir modifier la section de passage d’air d’amont en aval du distributeur.

L’invention permet donc de modifier simultanément l’angle des pales du distributeur et leur position axiale au sein de la veine d’air.

Le pivotement simultané au déplacement axial permet de modifier la section d’injection tout en améliorant les performances de l’étage de détente.

Avantageusement et selon l’invention, chaque pale à calage variable est solidaire d’un arbre fileté s’étendant parallèlement audit axe central le long dudit axe de pivotement, et coopérant avec au moins un taraudage conjugué ménagé dans une desdites parois de carter de sorte que cette pale puisse, sur actionnement dudit arbre fileté par lesdits moyens de commande, être simultanément pivotée autour dudit axe de pivotement et déplacée axialement entre les deux parois de carter, cet arbre fileté formant lesdits moyens de déplacement axial de la pale et lesdits moyens de pivotement de la pale.

Cette variante avantageuse permet de combiner simultanément le pivotement de la pale et le déplacement axial de la pale dans la veine d’air par un moyen unique, formé d’un arbre fileté qui coopère avec au moins un taraudage ménagé dans une paroi de carter. Une seule commande de l’arbre fileté permet donc à la fois de pivoter la pale et de la déplacer dans la veine d’air.

Selon cette variante avantageuse, le filetage de l’arbre et le filetage conjugué du taraudage conditionnent le déplacement de la pale et forment donc la loi de déplacement de la pale, à la fois en pivotement et en translation axiale dans la veine d’air.

Avantageusement et selon l’invention, ledit arbre fileté de chaque pale présente un filetage non régulier de manière à pouvoir définir une loi de commande du déplacement de la pale non linéaire.

Selon cette variante, un filetage non régulier permet de définir une loi de commande du déplacement de la pale qui est non linéaire. Il est alors possible de définir uniquement par les caractéristiques des filetages les différents points de fonctionnement du distributeur.

Avantageusement et selon l’invention, ledit arbre fileté de chaque pale à calage variable s’étend de part et d’autre de ladite pale de manière à pouvoir coopérer avec deux taraudages conjugués ménagés respectivement dans chacune des deux parois de carter du distributeur.

Cette variante avantageuse permet notamment un meilleur contrôle distributeur.

Avantageusement et selon l’invention, lesdits moyens de commande desdites pales à calage variable sont configurés pour pouvoir actionner simultanément l’arbre de pivotement de chaque pale.

Cette variante avantageuse permet de simplifier la commande des pales en prévoyant un unique moyen de commande pour l’ensemble des pales du distributeur.

Avantageusement et selon l’invention, le distributeur comprend au moins douze pales à calage variable régulièrement réparties autour de l’axe central.

Il est néanmoins possible de concevoir des variantes de réalisation comprenant moins de douze pales à calage variable et/ou des pales à calage variable réparties de manière non régulière autour de l’axe central.

L’invention concerne également une turbine radiale de turbomachine s’étendant le long d’un axe central et comprenant une roue équipée d’ailettes montée mobile en rotation autour dudit axe central, un distributeur agencé en périphérie de ladite roue mobile comprenant une pluralité de pales à calage variable, et une volute comprenant une entrée d’air et une sortie d’air débouchant sur ladite pluralité de pales à calage variable, caractérisée en ce que ledit distributeur est un distributeur selon l’invention.

L’invention concerne également un système de conditionnement d’air d’un aéronef comprenant une turbomachine comprenant au moins une turbine et un compresseur, caractérisé en ce que ladite turbine est une turbine radiale selon l’invention.

L’invention concerne également un aéronef comprenant une cabine à alimenter en air à pression et température contrôlées par un système de conditionnement d’air selon l’invention.

L'invention concerne également un distributeur d’une turbine radiale, une turbine radiale et un système de conditionnement d’air caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

5. Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d’une turbine selon un mode de réalisation de l’invention équipée d’un distributeur selon un mode de réalisation de l’invention,

- les figures 2a et 2b sont des vues schématiques partielles en perspective d’une portion du distributeur selon un mode de réalisation de l’invention,

- les figures 3a et 3b sont des vues schématiques en coupe d’une portion du distributeur selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 4 est une vue schématique en coupe partielle du distributeur selon un mode de réalisation de l’invention dans un plan longitudinal de la turbine le long de son axe de rotation,

- la figure 5 est une vue schématique en perspective d’une roue de turbine et d’un distributeur de turbine selon un mode de réalisation de l’invention.

6. Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. Dans toute la description détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément du distributeur est décrit tel qu’il est agencé lorsque le distributeur est monté sur une turbine. Cet agencement est représenté notamment sur la figure 1.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

La figure 1 illustre schématiquement une turbine radiale selon un mode de réalisation de l’invention qui s’étend le long d’un axe central 10 et comprend une roue 20 mobile en rotation autour de l’axe central 10 et un distributeur 30 agencé en périphérie de la roue 20 sur des carters lia, 11b (dont seul le carter lia est représenté sur la figure 1). La roue 20 est équipée d’une pluralité d’ailettes 21.

La turbine comprend également une volute 12 (dont une demi-volute est représentée sur la figure 1) dont le diamètre diminue entre une entrée 12a et une sortie 12b qui débouche sur le distributeur 30.

Le distributeur 30 comprend également une pluralité de pales 31 à calage variable, chaque pale 31 à calage variable étant solidaire d’un arbre 32 fileté qui s’étend parallèlement à l’axe central 10.

La figure 5 illustre schématiquement en perspective la roue 20 et le distributeur 30 de la turbine selon un mode de réalisation.

Sur les figures 1 et 5, les pales 31 du distributeur sont représentées avec un arbre fileté agencé au voisinage du bord d’attaque des pales alors que les figures 2a et 2b illustrent l’arbre fileté agencé au milieu des pales. Les deux modes de réalisation sont possibles, de même que le mode de réalisation, non représenté sur les figures, selon lequel l’arbre fileté est agencé au voisinage du bord de fuite de la pale.

Tel que représenté sur les figures 2a et 2b, chaque arbre 32 fileté de chaque pale 31 coopère avec au moins un taraudage 33 ménagé dans une des parois de carter lia, 11b de sorte que cette pale 31 puisse, sur commande de moyens de commande 40 (représentés schématiquement sur la figure 4), être simultanément pivotée autour de son axe de pivotement et déplacée axialement entre les deux carters 1 la, 11b au sein de la veine d’air, de manière à modifier la section de passage d’air d’amont en aval du distributeur. Cet arbre fileté 32 et le taraudage conjugué 33 peuvent être de tout type.

Le filetage de l’arbre 32 et le filetage conjugué du taraudage peuvent être des filetages réguliers ou irréguliers. Les caractéristiques du filetage conditionnent la loi de déplacement de la pale dans la veine d’air du distributeur.

Les figures 2a et 2b illustrent schématiquement le principe de déplacement des pales 31 par rapport à une des parois du carter 1 la. La figure 2a illustre les pales dans une position vissée des pales, c’est-à-dire une position dans laquelle l’arbre fileté de chaque pale 31 est vissé dans le taraudage conjugué ménagé dans la paroi du carter lia agencé en regard. La figure 2b illustre les mêmes pales 31 dans une position déployée, c’est-à-dire une position dans laquelle les pales sont à la fois pivotées par rapport à la position de la figure 2a et déplacées axialement par rapport au carter lia.

Ainsi, une seule commande des pales 31 permet à la fois de modifier l’angle de la pale 31 et la position de la pale dans la veine d’air du distributeur délimité par les deux carters lia, 11b.

Les figures 3 a et 3b illustrent schématiquement les pales 31 en coupe selon deux modes de réalisation possible de l’invention. La figure 3a illustre un mode de réalisation dans lequel la pale 31 est portée par un arbre 32 fileté qui coopère avec un taraudage conjugué formé dans une seule paroi du carter. La figure 3b illustre un mode de réalisation dans lequel la pale 31 est portée par deux arbres 32 filetés qui s’étendent de part et d’autre de la pale et qui coopèrent chacun avec un taraudage conjugué formé respectivement dans chaque paroi du carter.

La figure 4 illustre schématiquement la pale 31 et les moyens de commande 40 de calage de la pale. Ces moyens de commande 40 comprennent par exemple un arbre 41 relié mécaniquement à l’arbre 32 fileté. Cette liaison mécanique peut par exemple comprendre des bras, pignons, paliers reliés à des actionneurs 42 électriques ou électromagnétiques permettant de relier mécaniquement l’arbre 41 de commande et l’arbre 32 de déplacement de la pale 31. Selon un mode préférentiel de réalisation, un seul actionneur peut être configuré pour l’ensemble des pales 31 du distributeur.

Les actionneurs 42 sont pilotés par une unité centrale de commande 50. Cette commande peut être de tout type. Selon un mode de réalisation, la commande dépend des informations fournies par un capteur de pression 45. Ainsi, en fonction des mesures de pression, l’ouverture ou la fermeture des pales 31 du distributeur peut être commandée.

Un distributeur selon l’invention est particulièrement destiné à équiper une turbine d’un système de conditionnement d’air d’un aéronef.

Un tel système de conditionnement d’air comprend typiquement un ensemble d’organes renfermés dans un carter et présentant des ports de connexion d’entrée et de sortir d’air et un canal de circulation d’air dynamique, plus connu sous le terme d’air RAM, à travers un ou plusieurs échangeurs thermiques. Un tel pack peut faire l’objet de nombreuses variantes de réalisation compatible avec l’invention. Par exemple, il peut comprendre au moins une turbomachine à cycle à air qui comprend un compresseur et une turbine reliés l’un à l’autre par un arbre rotatif. La turbomachine peut également comprendre un ventilateur configuré pour assurer la circulation d’un air dynamique à travers les échangeurs thermiques. Selon une autre variante, la turbomachine peut comprendre un moteur électrique pour former un pack de conditionnement d’air électrique. Le pack peut aussi comprendre une boucle d’extraction d’eau et une conduite de sortie de turbomachine reliée à une chambre de mélange qui débouche dans la cabine à alimenter en air à température et pression contrôlées. La turbine de la machine à cycle à air est selon l’invention équipée d’un distributeur selon l’invention, ce qui permet à la turbine d’assurer une large plage de débit d’air tout en fournissant le maximum de puissance possible sur l’ensemble de la plage de fonctionnement.

Le principe de l’invention pourrait également s’appliquer à un diffuseur variable d’un compresseur centrifuge.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Distributeur (30) d’une turbine radiale de turbomachine adaptée pour être mise en rotation autour d’un axe central (10), ledit distributeur (30) comprenant une pluralité de pales (31) à calage variable agencées autour dudit axe central (10) entre deux parois de carter (lia, 11b) de distributeur délimitant entre elles une section de passage d’air dudit distributeur, caractérisé en ce que chaque pale (31) à calage variable comprend des moyens de déplacement axial de la pale entre les deux parois de carter (lia, 11b).
2. 2. Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale à calage variable comprend en outre des moyens de pivotement de la pale autour d’un axe de pivotement (34) couplés auxdits moyens de déplacement axial de la pale entre les deux parois de carter (lia, 11b) de sorte que chaque pale puisse, sur actionnement desdits moyens de déplacement axial et desdits moyens de pivotement par des moyens de commande (40), être simultanément pivotée autour dudit axe de pivotement (34) et déplacée axialement entre les deux parois de carter (lia, 11b), de manière à pouvoir modifier la section de passage d’air d’amont en aval du distributeur.
3. 3. Distributeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque pale (31) à calage variable est solidaire d’un arbre fileté (32) s’étendant parallèlement audit axe central (10) le long dudit axe de pivotement (34), et coopérant avec au moins un taraudage (33) conjugué ménagé dans une desdites parois de carter de sorte que cette pale (31) puisse, sur actionnement dudit arbre fileté (32) par lesdits moyens de commande (40), être simultanément pivotée autour dudit axe de pivotement (34) et déplacée axialement entre les deux parois de carter (lia, 11b), cet arbre fileté (32) formant lesdits moyens de déplacement axial de la pale et lesdits moyens de pivotement de la pale.
4. 4. Distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit arbre fileté (32) de chaque pale (31) à calage variable s’étend de part et d’autre de ladite pale de manière à pouvoir coopérer avec deux taraudages (33) conjugués ménagés respectivement dans chacune des deux parois de carter (lia, 11b) du distributeur.
5. 5. Distributeur selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (40) desdites pales (31) à calage variable sont configurés pour pouvoir actionner simultanément l’arbre fileté (32) de chaque pale.
6. 6. Distributeur selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit arbre fileté de chaque pale (31) présente un filetage non régulier de manière à pouvoir définir une loi de commande du déplacement de la pale non linéaire.
7. 7. Distributeur selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend au moins douze pales à calage variable régulièrement réparties autour de l’axe central (10).
8. 8. Turbine radiale de turbomachine s’étendant le long d’un axe central (10) et comprenant une roue (20) équipée d’ailettes (21) montée mobile en rotation autour dudit axe central (10), un distributeur (30) agencé en périphérie de ladite roue (20) comprenant une pluralité de pales (31) à calage variable, et une volute (12) comprenant une entrée d’air (12a) et une sortie d’air (12b) débouchant sur ladite pluralité de pales (31) à calage variable, caractérisée en ce que ledit distributeur (30) est un distributeur selon l’une des revendications 1 à 7.
9. 9. Système de conditionnement d’air d’un aéronef comprenant une turbomachine comprenant au moins une turbine et un compresseur, caractérisé en ce que ladite turbine est une turbine radiale conforme à la revendication 8.
10. 10. Aéronef comprenant au moins une cabine alimentée en air à température et pression contrôlées par un système de condition d’air, caractérisé en ce que ledit système de conditionnement d’air est un système conforme à la revendication 9.